Serie av genombrott inom kvantberäkning
En vanlig dator, som nu kallas en klassisk eller traditionell dator, fungerar på grundkonceptet 0:or och 1:or (nollor och ettor). När vi frågar dator för att göra en uppgift åt oss, till exempel en matematisk beräkning eller bokning av ett möte eller något som har att göra med det dagliga livet, omvandlas (eller översätts) denna uppgift vid det givna ögonblicket till en sträng med 0:or och 1:or (som då kallas input), bearbetas denna inmatning av en algoritm (definierad som en uppsättning regler som ska följas för att slutföra en uppgift på en dator). Efter denna bearbetning returneras en ny sträng med 0:or och 1:or (kallas output), och denna kodar för det förväntade resultatet och översätts tillbaka till enklare användarvänlig information som ett "svar" på vad användaren ville att datorn skulle göra . Det är fascinerande att oavsett hur smart eller smart algoritmen kan verka och vilken svårighetsgrad än uppgiften än kan vara, så gör en datoralgoritm bara den här ena saken – att manipulera en sträng av bitar – där varje bit är antingen 0 eller 1. manipulation sker på datorn (i mjukvaruänden) och på maskinnivå representeras detta av elektriska kretsar (på datorns moderkort). I hårdvaruterminologi när ström passerar genom dessa elektriska kretsar är den stängd och öppen när det inte finns någon ström.
Klassisk vs Quantum-dator
Därför, i klassiska datorer, är en bit en enda information som kan existera i två möjliga tillstånd – 0 eller 1. Men om vi talar om quantum datorer använder de vanligtvis kvantbitar (även kallade "qubits"). Dessa är kvantsystem med två tillstånd, men till skillnad från den vanliga biten (lagrad som 0 eller 1), kan kvantbitar lagra mycket mer information och kan existera i alla antaganden om dessa värden. För att förklara på ett bättre sätt kan en qubit ses som en imaginär sfär, där qubit kan vara vilken punkt som helst på sfären. Man kan säga att kvantberäkning drar fördel av subatomära partiklars förmåga att existera i mer än ett tillstånd vid varje given tidpunkt och fortfarande vara ömsesidigt uteslutande. Å andra sidan kan en klassisk bit bara vara i två tillstånd - till exempel i slutet av två poler av sfären. I det vanliga livet kan vi inte se denna "superposition" eftersom när ett system väl ses i sin helhet försvinner dessa superpositioner och detta är anledningen till att förståelsen av sådana superpositioner är oklar.
What this means for the computers is that quantum computers using qubits can store a huge amount of information using lesser energy than a classical computer and thus operations or calculations can be relatively done much faster on a quantum computer. So, a classical computer can take a 0 or 1, two bits in this computer can be in four possible states (00, 01, 10 or 11), but only one state is represented at any given time. A quantum computer, on the other hand works with particles that can be in superposition, allowing two qubits to represent the exact same four states at the same time because of the property of superposition freeing up the computers from ‘binary constraint’. This can be equivalent to four computers running simultaneously and if we add these qubits, the power of the quantum computer grows exponentially. Quantum computers also take advantage of another property of quantum physics called ‘quantum entanglement’, defined by Albert Einstein, entanglement is a property which allows quantum particles to connect and communicate regardless of their location in the universum so that changing the state of one may instantaneously affect the other. The dual capabilities of ‘superposition’ and ‘entanglement’ are quite powerful in principle. Therefore, what a quantum computer can achieve is unimaginable when compared to classical computers. This all sounds very exciting and straightforward, however, there is problem in this scenario. A quantum computer, if takes qubits (superposed bits) as its input, its output will also be similarly in a quantum state i.e. an output having superposed bits which can also keep changing depending on what state it is in. This kind of output doesn’t really allow us to receive all the information and therefore the biggest challenge in the art of quantum computing is to find ways of gaining as much information from this quantum output.
Kvantdator kommer att vara här!
Quantum computers can be defined as powerful machines, based on the principals of quantum mechanics that take a completely new approach to processing information. They seek to explore complex laws of nature that have always existed but have usually remained hidden. If such natural phenomena can be explored, quantum computing can run new types of algorithms to process information and this could lead to innovative breakthroughs in materials science, drug discovery, robotics and artificial intelligence. The idea of a quantum computer was proposed by American theoretical physicist Richard Feynman way back in 1982. And today, technology companies (such as IBM, Microsoft, Google, Intel) and academic institutions (like MIT, and Princeton University) are working on quantum computer prototypes to create a mainstream quantum computer. International Business Machines Corp. (IBM) has said recently that its scientists have built a powerful quantum computing platform and it can be made available for access but remark that it’s not enough for performing most of the tasks. They say that a 50-qubit prototype which is currently being developed can solve many problems which classical computers do today and in the future 50-100 qubit computers would largely fill the gap i.e. a quantum computer with just a few hundred qubits would be able to perform more calculations simultaneously than there are atoms in the known universum. Realistically speaking, the path to where a quantum computer can actually outperform a classical computer on difficult tasks is laden with difficulties and challenges. Recently Intel has declared that the company’s new 49-qubit quantum computer represented a step towards this “quantum supremacy”, in a major advancement for the company who had demonstrated a 17-bit qubit system only just 2 months ago. Their priority is to keep expanding the project, based upon the understanding that expanding number of qubits is the key to creating quantum computers that can deliver real-world results.
Material är nyckeln för att bygga kvantdatorer
Materialet kisel har varit en integrerad del av datoranvändning i decennier eftersom dess nyckeluppsättning möjligheter gör det väl lämpat för allmän (eller klassisk) datoranvändning. Men när det gäller kvantberäkningar har kiselbaserade lösningar inte antagits främst av två skäl, dels är det svårt att kontrollera qubits tillverkade på kisel, och dels är det fortfarande oklart om kisel qubits kan skalas lika bra som andra lösningar. I ett stort framsteg har Intel helt nyligen utvecklats1 en ny typ av qubit känd som en 'spin qubit' som produceras på konventionellt kisel. Spin qubits påminner mycket om halvledarelektronik och de levererar sin kvantkraft genom att utnyttja spinnet av en enstaka elektron på en kiselenhet och kontrollera rörelsen med små mikrovågspulser. Två stora fördelar som ledde till att Intel rörde sig i denna riktning är, för det första är Intel som företag redan hårt investerat i kiselindustrin och har därmed rätt kompetens inom kisel. För det andra är kisel-qubits mer fördelaktiga eftersom de är mindre än konventionella qubits, och de förväntas hålla koherens under en längre tid. Detta är av yttersta vikt när kvantberäkningssystem behöver skalas upp (t.ex. från 100 qubit till 200 qubit). Intel testar den här prototypen och företaget räknar med att producera chips med tusentals små qubit-arrayer och en sådan produktion när den görs i bulk kan vara mycket bra för att skala upp kvantdatorerna och kan vara en riktig gamechanger.
I en nyligen publicerad forskning publicerad i Vetenskap, har ett nydesignat mönster för fotoniska kristaller (dvs. en kristalldesign implementerad på ett fotoniskt chip) utvecklats av ett team vid University of Maryland, USA, som de hävdar kommer att göra kvantdatorer mer tillgängliga2. Dessa fotoner är den minsta mängd ljus som är känd och dessa kristaller var förankrade med hål som får ljuset att interagera. Olika hålmönster förändrar hur ljuset böjer sig och studsar genom kristallen och här gjordes tusentals triangulära hål. En sådan användning av enstaka fotoner är viktig för processen att skapa kvantdatorer eftersom datorerna då kommer att ha förmågan att beräkna stora antal och kemiska reaktioner som nuvarande datorer inte kan göra. Chipets design gör det möjligt för överföring av fotoner mellan kvantdatorer att ske utan några förluster. Denna förlust har också setts som en stor utmaning för kvantdatorer och därför tar detta chip hand om problemet och möjliggör en effektiv väg av quantum information från ett system till ett annat.
Framtida
Kvantdatorer lovar att köra beräkningar mycket utöver alla konventionella superdatorer. De har potential att revolutionera upptäckten av nya material genom att göra det möjligt att simulera materiens beteende ner till atomnivå. Det bygger också upp hopp om artificiell intelligens och robotik genom att bearbeta data snabbare och mer effektivt. Att leverera ett kommersiellt gångbart kvantberäkningssystem skulle kunna göras av alla större organisationer under de kommande åren eftersom denna forskning fortfarande är öppen och ett rättvist spel för alla. Stora tillkännagivanden förväntas under de kommande fem till sju åren, och idealiskt sett med den serie av framsteg som görs bör tekniska problem åtgärdas och en kvantdator på 1 miljon eller fler qubits borde bli verklighet.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicon vinner mark i kvantberäkningsrace. Natur. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Ett topologiskt kvantoptikgränssnitt. Vetenskap. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
